Основы теории управления. Учебно-методическое пособие

Первый из них – From File – предназначается для ввода в модель данных, хранящихся в MAT-файле. Структура данных в этом файле есть многомерный массив с переменным числом строк, которое определяется числом регистрируемых переменных.

Второй – From Workspace – обеспечивает ввод в модель данных непосредственно из рабочей области MATLAB. Формат данных, считываемых из рабочей области, аналогичен формату MAT-файла, за исключением того, что значения времени и соответствующие им значения параметров расположены не по строкам, а по столбцам.

2.2.РАЗДЕЛ SINKS

Вэтом разделе расположены приемники сигналов. Это устройства, куда можно вывести данные, полученные в результате моделирования.

Принцип действия приемника XY Graph аналогичен работе двухкоординатного осциллографа. Блок Scope позволяет в процессе моделирования наблюдать за динамикой изменения интересующих исследователя характеристик системы. Элемент Display позволяет в окошке отобразить текущее значение контролируемой величины. Приемник Stop Simulation позволяет остановить процесс моделирования программным способом при срабатывании некоторого условия. Необходимо, пожалуй, отметить еще один блок, который довольно часто используется при обработке результатов экспериментов. Это блок To Workspace, который предназначен для сохранения данных, полученных в процессе моделирования, в рабочей области MATLAB. Данные сохраняются в виде матрицы, структура которой отличается от структуры данных в том же MAT-файле тем, что значения сохраняемых параметров расположены по строкам, а не по столбцам. Сохраняемые данные могут быть записаны в один из форматов: Matrix – в виде матрицы, Structure – данные сохраняются в виде структуры, содержащей три поля: time – вектор значений модельного времени, signals – массив значений наблюдаемых параметров, blockname – имя блока To workspace, используемое в модели. При выборе формата сохранения данных нужно учитывать то, каким образом эти данные будут впоследствии использоваться. Например, если они будут загружаться в модель

спомощью блока From File, то непременно следует сохранить и вектор значений модельного времени.

11

2.3. РАЗДЕЛ CONTINUOUS

Этот раздел содержит блоки, которые условно можно разделить на две группы:

1)предназначенные для описания непрерывных систем;

2)общего назначения, которые могут использоваться в модели любого типа.

К первой группе относятся: Transfer Fnc – передаточная функция; State Space – блок формирования состояния системы; Zero Pole – блок, реализующий передаточную функцию, описанную с помощью оператора Лапласа; Derivative – блок вычисления производной входного сигнала по времени. Ко второй группе относятся четыре блока: Integrator – сумматор непрерывного времени; Memory – блок задержки входного сигнала на один шаг модельного времени; Transport Delay – блок задержки входного сигнала; Variable Transport Delay – блок изменяемой задержки входного сигнала.

2.4. РАЗДЕЛ DISCRETE

Здесь находятся элементы для построения дискретных систем. Элемент Unit Delay обеспечивает задержку входного сигнала на заданное число периодов. В его окне параметров можно задавать начальное состояние и шаг дискретизации. С помощью элементов Zero Order Hold и First Order Hold осуществляется экстраполяция нулевого и первого порядка. С помощью элемента Discrete State Space можно задавать линейные дискретные математические объекты с заданными матрицами A, B, C, D. Элемент Discrete Filter позволяет сформировать дискретный фильтр.

2.5. РАЗДЕЛ NONLINEAR – НЕЛИНЕЙНЫЕ БЛОКИ

Несмотря на свое название, раздел содержит достаточно универсальные блоки, которые могут использоваться для построения систем различных типов.

Назначением блока Saturation является ограничение величины сигнала. Выходной сигнал блока равен входному, если его величина не выходит за порог ограничения. По достижении входным сигналом уровня ограничения выходной сигнал блока перестает изменяться и остается равным порогу.

12

При построении нелинейных моделей используется также блок с зоной нечувствительности Dead Zone, который реализует нелинейную зависимость типа «зона нечувствительности (мертвая зона)». Параметр Start of dead zone определяет начало зоны нечувствительности (нижний порог), End of dead zone – конец зоны нечувствительности (верхний порог), Saturate on integer overflow (флажок) – подавление переполнения целого. При установленном флажке ограничение сигналов целого типа выполняется корректно.

Элемент Relay реализует релейную нелинейность. Выходной сигнал блока может принимать два значения, одно из которых соответствует включенному состоянию реле, второе – выключенному. Переход из одного состояния в другое происходит скачком при достижении входным сигналом порога включения или выключения реле. В том случае если пороги включения и выключения реле имеют разные значения, блок реализует релейную характеристику с гистерезисом. При этом значение порога включения должно быть больше, чем значение порога выключения. Блок Rate Limiter обеспечивает ограничение скорости изменения сигнала (первой производной).

С помощью элемента Multiport Switch выполняется переключение входных сигналов по сигналу управления, задающему номер активного входного порта.

2.6. РАЗДЕЛ SIGNAL & SYSTEMS –

БЛОКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ

Блоки из данного раздела используются в качестве вспомогательных инструментов при построении S-моделей и служат для объединения блоков. Мультиплексор (смеситель) Mux объединяет входные сигналы в вектор. Блок шинного формирователя Bus Creator формирует шину из сигналов различных типов. Блок позволяет объединять любые сигналы (векторные, матричные, комплексные, действительные) в единую шину. Такая шина позволяет сократить количество соединительных линий в модели. Блок создания общей области памяти Data Store Memory создает поименованную область памяти для хранения данных. Блок используется совместно с блоками Data Store Write (запись данных) и Data Store Read (считывание данных). Блок считывания данных из общей области памяти Data Store Read считывает данные из поименованной области памяти.

13

3. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ И РАБОТА С ОБЪЕКТАМИ

3.1. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ

Для создания модели в среде Simulink необходимо последовательно выполнить ряд действий:

1. Создать новый файл модели с помощью команды File/New/Model или используя кнопку на панели инструментов. Вновь созданное окно модели показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Пустое окно модели

2. Расположить блоки в окне модели. Для этого необходимо открыть соответствующий раздел библиотеки (Например, Sources – источники). Далее, указав курсором на требуемый блок и нажав на левую клавишу мыши, «перетащить» блок в созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На рис. 3.2 показано окно модели, содержащее блоки.

Рис. 3.2. Окно модели, содержащее блоки

14

Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу мыши), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре.

Для изменения размеров блока требуется выбрать блок, установить курсор в один из углов блока и, нажав левую клавишу мыши, изменить размер блока (курсор при этом превратится в двустороннюю стрелку).

3. Изменение параметров блока, установленных программой «по умолчанию», – дважды щелкнуть левой клавишей мыши, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров этого блока. При задании численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. На рис. 3.3 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию, и окно редактирования параметров этого блока.

Рис. 3.3. Блок, моделирующий передаточную функцию

иокно редактирования параметров блока

4.После установки на схеме всех блоков из требуемых библиотек нужно выполнить соединение элементов схемы. Для соединения блоков необходимо указать курсором на «выход» блока, а затем нажать и, не отпуская левую клавишу мыши, провести линию ко входу другого блока, после чего отпустить клавишу. В случае правильного соединения изображение стрелки на входе блока изменяет цвет. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к

15

предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу мыши, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию (так же, как это выполняется для блока), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Схема модели, в которой выполнены соединения между блоками, показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема модели

5. После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File/Save As.... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 32 символов, должно начинаться с буквы и не может содержать символы кириллицы и спецсимволы. Это же требование относится и к пути файла (к тем папкам, в которых сохраняется файл). При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню File/Save. При повторных запусках программы Simulink загрузка схемы осуществляется с помощью меню File/Open... в окне обозревателя библиотеки или из основного окна MATLAB.

3.2. ОКНО МОДЕЛИ

Окно модели включает в себя следующие элементы (рис. 3.4):

1)заголовок с названием окна. Вновь созданному окну присваивается имя Untitled с соответствующим номером;

2)меню с командами File, Edit, View и т. д.;

3)панель инструментов;

4)окно для создания схемы модели;

16

5) строку состояния, содержащую информацию о текущем состоянии модели.

Меню окна содержит команды для редактирования модели, ее настройки и управления процессом расчета, работы с файлами и т. п.: File (файл) – работа с файлами моделей; Edit (редактирование) – изменение модели и поиск блоков; View (вид) – управление показом элементов интерфейса; Simulation (моделирование) – задание настроек для моделирования и управление процессом расчета; Format (форматирование) – изменение внешнего вида блоков и модели в целом; Tools (инструментальные средства) – применение специальных средств для работы с моделью (отладчик, линейный анализ и т. п.); Help (справка) – вывод окон справочной системы.

Для работы с моделью можно также использовать кнопки на панели инструментов (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Панель инструментов окна модели.

Кнопки панели инструментов имеют следующее назначение:

1)New Model – открыть новое (пустое) окно модели;

2)Open Model – открыть существующий mdl-файл;

3)Save Model – сохранить mdl-файл на диске;

4)Print Model – вывести на печать блок-диаграммы модели;

5)Cut – вырезать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения;

6)Copy – скопировать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения;

7)Paste – вставить в окно модели содержимое буфера промежуточного хранения;

8)Undo – отменить предыдущую операцию редактирования;

9)Redo – восстановить результат отмененной операции редактирования;

10)Library Browser – открыть окно обозревателя библиотек;

11)Toggle Model Browser – открыть окно обозревателя модели;

12)Go to parent system – перейти из подсистемы в систему высшего уровня иерархии («родительскую систему»). Команда доступна, только если открыта подсистема;

17

13)Debug – запустить отладчик модели. Start/Pause/Continue Simu-

lation;

14)Start – запустить модель на исполнение; после запуска модели на изображении кнопки выводится символ, и ей соответствует уже команда Pause – приостановить моделирование; для возобновления моделирования следует щелкнуть по той же кнопке, поскольку в режиме паузы ей соответствует команда Continue (продолжить);

15)Stop – закончить моделирование. Кнопка становится доступной после начала моделирования, а также после выполнения команды

Pause;

16)Normal/Accelerator – обычный/ускоренный режим расчета; инструмент доступен, если установлено приложение Simulink Performance Tool.

В нижней части окна модели находится строка состояния, в которой отображаются краткие комментарии к кнопкам панели инструментов, а также к пунктам меню, когда указатель мыши находится над соответствующим элементом интерфейса. Это же текстовое поле используется и для индикации состояния Simulink: Ready (готов) или Running (выполнение). В строке состояния отображаются также: масштаб отображения блок-диаграммы (в процентах, исходное значение равно 100 %), индикатор степени завершенности сеанса моделирования (появляется после запуска модели), текущее значение модельного времени (выводится также только после запуска модели), используемый алгоритм расчета состояний модели (метод решения).

3.3. ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ

Для выполнения какого-либо действия с элементом модели (блоком, соединительной линией, надписью) этот элемент необходимо сначала выделить. Выделение объектов проще всего осуществляется мышью. Для этого необходимо установить курсор мыши на нужном объекте и щелкнуть левой клавишей. Произойдет выделение объекта. Об этом будут свидетельствовать маркеры по углам объекта. Можно также выделить несколько объектов. Для этого надо установить курсор мыши вблизи группы объектов, нажать левую клавишу мыши и, не отпуская ее, начать перемещать мышь. Появится пунктирная рамка, размеры которой будут изменяться при перемещении мыши. Все охваченные рамкой объекты становятся выделенными. Выделить все объекты можно также, используя команду Edit/Select All. После выделе-

18

ния объекта его можно копировать или перемещать в буфер промежуточного хранения, извлекать из буфера, а также удалять, используя стандартные приемы работы в Windows-программах.

3.4. РАБОТА С БУФЕРОМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ХРАНЕНИЯ (КОПИРОВАНИЕ, ПЕРЕМЕЩЕНИЕ И ВСТАВКА ОБЪЕКТОВ)

Для копирования объекта в буфер его необходимо предварительно выделить, а затем выполнить команду Edit/Copy или воспользоваться инструментом на панели инструментов. Для вырезания объекта в буфер его необходимо предварительно выделить, а затем выполнить команду Edit/Cut или воспользоваться инструментом на панели инструментов. При выполнении данных операций следует иметь в виду, что объекты помещаются в собственный буфер MATLAB и недоступны из других приложений. Использование команды Edit/Copy Model to Clipboard позволяет поместить графическое изображение модели в буфер Windows и соответственно делает его доступным для остальных программ. Копирование можно выполнить и таким образом: нажать правую клавишу мыши и, не отпуская ее, переместить объект. При этом будет создана копия объекта, которую можно переместить в необходимое место.

Для вставки объекта из буфера необходимо предварительно указать место вставки, щелкнув левой клавишей мыши в предполагаемом месте вставки, а затем выполнить команду Edit/Paste или воспользоваться инструментом на панели инструментов.

4. СОЕДИНЕНИЕ БЛОКОВ

Для соединения блоков необходимо сначала установить курсор мыши на выходной порт одного из блоков. Курсор при этом превратится в большой крест из тонких линий (рис. 4.1). Держа нажатой левую кнопку мыши, нужно переместить курсор ко входному порту нужного блока. Курсор мыши примет вид креста из тонких сдвоенных линий (рис. 4.2). После создания линии необходимо отпустить левую клавишу мыши. Свидетельством того, что соединение создано, будет

19